contribution expérimentale et théorique pour la modélisation de la

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Contribution exprimentale et thorique pour lamodlisation de la combustion dans les feux de fort

Virginie Tihay

To cite this version:Virginie Tihay. Contribution exprimentale et thorique pour la modlisation de la combustion dansles feux de fort. Physique [physics]. Universit de Corse, 2007. Franais.

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THESE

presentee a

LUniversite de Corse

U. F. R. Sciences et Techniques

le 23 novembre 2007

par

Virginie TIHAY

pour lobtention du grade de

docteur en energetique

Contribution experimentale et theorique pour lamodelisation de la combustion dans les feux de

foret

devant le jury compose de

MM. J.-P. Garo Matre de Conferences a lUniversite de Poitiers (co-Directeur)P.-A. Santoni Professeur a lUniversite de Corse (Directeur)A. Simeoni Matre de Conferences a lUniversite de Corse (co-Directeur)J.-L. Torero Professeur a lUniversite dEdimbourg (Rapporteur)J.-P. Vantelon Directeur de Recherche au CNRS (LCD-UPR 9028) de PoitiersD. Veynante Directeur de Recherche au CNRS (EM2C-UPR 288) de

Chatenay-Malabry (Rapporteur)

A ma Mere et a mon Frere,

A la memoire de mon Pere.

Remerciements

Ce travail a ete realise au sein du Laboratoire des Sciences pour lEnvironnement

- Unite Mixte de Recherche associee au CNRS n6134. Je tiens a remercier Monsieur

Jacques-Henri Balbi, Professeur a lUniversite de Corse et Directeur de lUMR pour

mavoir accueillie au sein de ce laboratoire.

Je tiens a exprimer ma profonde gratitude a Monsieur Paul-Antoine Santoni,

Professeur a lUniversite de Corse et directeur scientifique de ma these, pour son

soutien permanent, ses conseils, sa grande disponibilite et sa patience.

Jexprime toute ma reconnaissance a Monsieur Albert Simeoni, Matre de Con-

ferences a lUniversite de Corse et co-directeur scientifique de ma these, pour son

aide precieuse, ses encouragements et pour la confiance dont il a fait preuve a mon

egard tout au long de ma these.

Je tiens a remercier Monsieur Jean-Pierre Vantelon, Directeur de Recherche au

CNRS UPR 9028, pour mavoir accueillie au sein de son equipe. Je le remercie

egalement pour les discussions tres fructueuses que nous avons eues.

Je remercie vivement Monsieur Jean-Pierre Garo, Matre de Conferences a lIUT

de Poitiers et co-directeur scientifique de ma these, pour son encadrement, ses re-

commandations et ses avis judicieux.

Je tiens a exprimer mes plus vifs remerciements a Messieurs Denis Veynante et

Jose Torrero pour lattention quils temoignent pour ce travail en acceptant den etre

les rapporteurs.

Je remercie egalement Madame Lucile Rossi-Tison, Matre de Conferences a

lIUT de Corse, pour mavoir aidee dans le traitement des images.

3

Remerciements

Que Monsieur Thierry Marcelli, Matre de Conferences a lIUT de Corse, trouve

ici lexpression de ma reconnaissance pour linteret quil a porte a cette etude et

pour les conseils quil ma prodigues lors de mon monitorat.

Que Messieurs Frederic Morandini, Ingenieur de Recherche au CNRS UMR 6134

et Jean-Louis Rossi, Matre de Conferences a lIUT de Corse, trouvent ici lexpres-

sion de ma gratitude pour leur disponibilite, leur conseils et leur bienveillance.

Je tiens a remercier Mesdames Lila Ferrat et Vanina Pasqualini, Matres de

Conferences a lUniversite de Corse, pour leur disponibilite, leur gentillesse et leur

aide precieuse.

Que Monsieur Jean-Baptiste Filippi, Charge de Recherche au CNRS UMR 6134

trouve ici lexpression de ma gratitude pour son soutien tout au long de cette etude.

Je remercie sincerement Madame Veronique Bertin et Monsieur Daniel Falaise,

Ingenieurs dEtudes au CNRS UPR 9028, pour leur gentillesse et pour leur grande

contribution a la realisation de ce travail.

Je remercie egalement tous les membres de lEquipe Feux de foret pour leur

soutien tout au long de ces trois annees.

Enfin, jexprime toute ma reconnaissance et mon amitie a Magali Cannac, Valerie

Leroy, Toussaint Barboni et Julien Paolini qui mont entouree durant ma these.

4

Table des matieres

Liste des figures 10

Liste des tableaux 17

Nomenclature 20

Introduction 24

1 Etat de lArt : Combustion des vegetaux 27

1.1 Composition des vegetaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.2 La combustion des vegetaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.2.1 Degradation du combustible vegetal . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.2.2 Combustion en phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.2.3 Combustion heterogene et formation des cendres . . . . . . . . 43

1.3 Voies experimentales de recherches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.3.1 Analyse thermogravimetrique des vegetaux . . . . . . . . . . . 44

1.3.2 Analyse enthalpique differentielle . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.3.3 Analyse des gaz de degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.3.4 Analyses des fumees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.3.5 Etudes de la combustion en laboratoire . . . . . . . . . . . . . 46

1.3.6 Etudes de terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

1.4 Modelisation des feux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.4.1 Les modeles statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.4.2 Modeles empiriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

1.4.3 Modeles physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2 Presentation des broyats de vegetaux et des protocoles experimen-

taux 55

2.1 Les broyats etudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5

Table des matieres

2.1.1 Preparation des echantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.1.2 Analyse elementaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.1.3 Teneurs en sodium, calcium et magnesium des vegetaux . . . . 57

2.1.4 Pouvoir calorifique inferieur et superieur . . . . . . . . . . . . 59

2.1.5 Analyse morphologique des broyats . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.1.6 Masse volumique et porosite des broyats . . . . . . . . . . . . 63

2.2 Protocoles experimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.2.1 Etude des flammes laminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.2.2 Capacite calorifique a pression constante . . . . . . . . . . . . 74

2.2.3 Conductivite thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.2.4 Gaz de degradation emis par les vegetaux . . . . . . . . . . . 77

2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3 Resultats experimentaux obtenus pour six combustibles mediter-

raneens 81

3.1 Observations globales de la combustion des broyats . . . . . . . . . . 82

3.2 Description de la phase solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.1 Proprietes thermiques des broyats . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.2 Temperature au sein des broyats . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.2.3 Perte de masse des combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.3 Description de la phase gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.3.1 Composition des gaz de degradation des six combustibles . . . 94

3.3.2 Geometrie des flammes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.3.3 Profil de temperature dans les flammes . . . . . . . . . . . . . 103

3.3.4 Flux radiatif emis par les flammes . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.4 Couplage entre la phase solide et la phase gazeuse . . . . . . . . . . . 115

3.4.1 Hauteur de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.4.2 Profil de temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4 Modele numerique 124

4.1 Description generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.1.1 Equation detat thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.1.2 Equation de conservation de la masse . . . . . . . . . . . . . . 125

4.1.3 Equation de conservation de la quantite de mouvement . . . . 126

4.1.4 Equation de conservation des especes chimiques . . . . . . . . 126

6

Table des matieres

4.1.5 Equation de conservation de lenergie . . . . . . . . . . . . . . 127

4.1.6 Equation de transfert radiatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.2 Modele de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.3 Resolution numerique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.4 Parametres de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4.4.1 Domaine de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4.4.2 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.4.3 Conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.4.4 Etablissement du calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5 Resultats numeriques et discussions 139

5.1 Comportement des mecanismes squelettiques . . . . . . . . . . . . . . 139

5.1.1 Composition des gaz emis par le bruleur . . . . . . . . . . . . 140

5.1.2 Comparaison des mecanismes squelettiques . . . . . . . . . . . 142

5.1.3 Choix du mecanisme squelettique de reference . . . . . . . . . 151

5.1.4 Influence de la composition des gaz de degradation . . . . . . 152

5.2 Comportement des mecanismes globaux . . . . . . . . . . . . . . . . 159

5.2.1 Description de letude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

5.2.2 Comparaison des mecanismes globaux et choix du mecanisme

de reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

5.3 Un mecanisme global pour la combustion des vegetaux . . . . . . . . 163

5.3.1 Presentation des resultats numeriques . . . . . . . . . . . . . . 163

5.3.2 Comparaison des resultats numeriques et experimentaux . . . 167

5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Conclusions et Perspectives 173

Bibliographie 178

Annexes 192

A Description des plantes etudiees 192

A.1 Description des etages de vegetation de la Corse . . . . . . . . . . . . 192

A.2 Description des vegetaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

A.2.1 Pin maritime (Pinus pinaster subsp. hamiltonii) . . . . . . . . 193

A.2.2 Pin laricio (Pinus nigra subsp. laricio var. corsicana) . . . . . 193

A.2.3 Pin dAlep (Pinus halepensis Mill.) . . . . . . . . . . . . . . . 193

7

Table des matieres

A.2.4 Ciste de Montpellier (Cistus monspeliensis) . . . . . . . . . . 194

A.2.5 Arbousier (Arbutus unedo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

A.2.6 Bruyere arborescente (Erica arborea) . . . . . . . . . . . . . . 194

B Analyse morphologique des broyats 195

C Rapport surface-volume des vegetaux non broyes 198

C.1 Calcul de la surface des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

C.2 Mesure du volume des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

C.3 Rapport surface-volume des particules non broyees . . . . . . . . . . 200

D Vues microscopiques 202

E Mise en place de la determination de la capacite calorifique a pres-

sion constante 204

E.1 Determination de la capacite calorifique a pression constante a partir

du flux thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

E.2 Etude de reproductibilite des mesures de capacite calorifique a pres-

sion constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

E.3 Etude de la precision des mesures de capacite calorifique a pression

constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

F Chromatographie en phase gazeuse 208

F.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

F.2 Mecanismes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

F.3 Reglages des chromatographes en phase gazeuse . . . . . . . . . . . . 211

F.3.1 Caracteristiques des colonnes chromatographiques . . . . . . . 211

F.3.2 Configuration utilisee pour le Perichrom 2100 . . . . . . . . . 212

F.3.3 Configuration utilisee pour le Girdel 30 . . . . . . . . . . . . . 213

G Hygrometre 215

G.1 Notions de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

G.2 Description generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

G.3 Determination de la quantite deau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

H Temperatures dans les broyats 218

H.1 Temperature de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

H.2 Temperature au sein des broyats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

8

Table des matieres

I Polynomes representant m 223

J Composition des gaz de degradation des six combustibles 224

J.1 Compositions des gaz de degradation sans prendre en compte leau . 224

J.2 Fraction massique deau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

J.3 Composition massique globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

J.4 Compositions molaires des gaz de degradation . . . . . . . . . . . . . 227

K Profils de temperature dans les flammes 229

K.1 Temperatures le long de laxe vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

K.2 Profil radial de temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

L Flux radiatifs 236

L.1 Densite de flux radiatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

L.2 Calcul des facteurs de vue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

M Mecanismes squelettiques 241

M.1 Mecanisme de Leroy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

M.2 Mecanisme de Peters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

M.3 Mecanisme de Smooke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

M.4 Mecanisme de Zhou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

N Methodes de resolution numeriques 246

N.1 Definition des volumes de controle pour la discretisation des equations

de Navier-Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

N.2 Methodes de discretisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

N.2.1 Schema amont (upwind) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

N.2.2 Schema aux differences centrees . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

N.3 Methode de discretisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

N.4 Couplage vitesse-pression - Algorithme SIMPLE . . . . . . . . . . . . 250

N.4.1 Equation de correction de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . 251

N.4.2 Equation de correction de pression . . . . . . . . . . . . . . . 252

N.4.3 Algorithme SIMPLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

N.5 Sous et sur-relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

O Tests pour lelaboration du domaine de calcul 255

P Calcul des proprietes de lair humide 256

9

Liste des Figures

1.1 Structure de la cellulose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.2 Structure de lhemicellulose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.3 Structure de la lignine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.4 Diagramme de la combustion dun vegetal. . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.5 Schematisation de la degradation dun combustible vegetal (dapres

Cox (1995)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.6 Processus de formation et devolution des suies dans une flamme. . . 37

1.7 Metre CSIRO pour la propagation du feu en pairie. . . . . . . . . . . 49

2.1 Photographies des differents broyats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.2 Image en 2D des particules de Pinus pinaster. . . . . . . . . . . . . . 61

2.3 Schematisation des particules des broyats. . . . . . . . . . . . . . . . 62

2.4 a. Schema dune feuille - b. Schema dune coupe transversale du limbe. 65

2.5 Schema du dispositif experimental pour la determination des aspects

thermiques des flammes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.6 Schema du positionnement de la rampe radiale de thermocouples. . . 68

2.7 Schema du dispositif experimental pour la determination du flux ra-

diatif emis par la flamme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.8 a. Exemple dimage obtenue a partir de la camera 1. Le carre dessine

en vert delimite la zone de selection des pixels presentee en b. - b.

Repartition des niveaux de gris des composantes rouge, vert et bleu

pour la zone rectangulaire verte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.9 Image en noir et blanc obtenue a laide du programme de traitement

dimages. Les pixels blancs correspondent a la flamme. . . . . . . . . 72

2.10 a. Exemple dimage obtenue a partir de la camera 2. - b. Extraction

de la zone de flamme a partir des vues de la camera 2. . . . . . . . . 73

2.11 Programme de chauffage de la DSC 131 pour la determination du Cp

entre 40 et 220C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

2.12 Schematisation de la determination de la chaleur specifique par methode

incrementale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

10

Liste des figures

2.13 Photographie du porte-echantillon et de la sonde utilises pour les

mesures de conductivites thermiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.14 Schema du dispositif experimental utilise pour la determination des

gaz de pyrolyse (1. thermocouple, 2. regulation de temperature, 3.

fixation, 4. injection dazote, 5. four electrique, 6. nacelle, 7. aspiration

des gaz, 8.a-c valves, 9. ballons de prelevement). . . . . . . . . . . . . 77

3.1 Forme de la flamme - a. pendant la phase dallumage. - b. pendant la

phase de regression pour Pinus halepensis. . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.2 Phase solide apres lextinction de la flamme - a. vue en coupe. - b.

vue de dessus pour Pinus pinaster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.3 Temperatures de surface du broyat de Pinus laricio. . . . . . . . . . . 87

3.4 Position de la flamme de Pinus laricio a 60 s. . . . . . . . . . . . . . 88

3.5 Temperatures moyennes mesurees dans les broyats a 0,5 cm du centre

pour - a. Pinus pinaster - b. Pinus halepensis - c. Pinus laricio - d.

Erica arborea - d. Cistus monspeliensis - e. Arbutus unedo. . . . . . . 89

3.6 Temperatures moyennes dans le broyat au passage de la zone de

reaction a temperature maximale au niveau du thermocouple place

a 0,5 cm du centre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.7 Pertes de masse moyennes des six vegetaux au cours du temps. . . . . 91

3.8 Courbes des vitesses de degradation apres la phase dallumage pour

les six vegetaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.9 Temperatures moyennes - a. a 5 mm du fond de la nacelle - b. a la

surface des broyats pour les six echantillons. . . . . . . . . . . . . . . 95

3.10 Repartition en gaz combustibles, en dioxyde de carbone et en eau des

gaz de degradation des six vegetaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.11 Mecanisme de pyrolyse de la cellulose (Fagbemi et coll., 2001). . . . . 98

3.12 Depot de goudron a linterieur du reacteur en quartz. . . . . . . . . . 98

3.13 Hauteurs visibles moyennes des flammes pour les six combustibles. . . 102

3.14 Rayons visibles moyens des bases des flammes des six combustibles. . 103

3.15 Temperatures moyennes le long de laxe vertical des flammes de Pinus

halepensis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.16 Spectre de la temperature dErica arborea a 2 cm de haut - a. entre

0 et 60 s. - b. entre 60 et 170 s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.17 Temperatures moyennes le long de laxe vertical pour la flamme de

Pinus halepensis en fonction de la hauteur et pour differents instants. 106

11

Liste des figures

3.18 Temperatures des gaz au niveau de la hauteur visible de flamme en

fonction de la hauteur visible pour les six combustibles. . . . . . . . . 107

3.19 Temperatures radiales moyennes a 1 cm de haut dans les flammes

dErica arborea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.20 Temperatures radiales moyennes a 1 cm de haut a 60, 110 et 160 s

pour les flammes dErica arborea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.21 Densites de flux radiatif moyennes emises par la flamme de Pinus

halepensis. - a. au cours du temps a 3, 4,5 et 11 cm du centre et a 2,5

cm de haut. - b. en fonction de la distance du capteur et a differents

instants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.22 Fractions radiatives au cours du temps pour Pinus pinaster, Pinus

halepensis, Pinus laricio et Erica arborea avec le modele du point

source. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.23 Fractions radiatives au cours du temps pour Pinus pinaster, Pinus

halepensis, Pinus laricio et Erica arborea avec le modele de la flamme

solide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.24 Couleur des flammes 60 s apres lallumage a) Pinus pinaster b) Pinus

halepensis c) Pinus laricio d) Erica arborea e) Cistus monspeliensis

f) Arbutus unedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.25 Hauteurs visibles de la flamme en fonction du debit massique des gaz

de degradation pour les six combustibles. . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.26 Rayons de la base de la flamme en fonction du debit massique des gaz

de degradation pour les six combustibles. . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.27 Comparaison de la hauteur de flamme - a. de Pinus pinaster et dErica

arborea autour dun debit de 2,8.106 kg.s1. - b. de Pinus laricio et

dArbutus unedo autour dun debit de 3.106 kg.s1. . . . . . . . . . 118

3.28 Temperatures moyennes le long de laxe de la flamme a 1 cm de haut

en fonction du debit massique de gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

3.29 Temperatures moyennes le long de laxe de la flamme a 1 cm de haut

en fonction du debit massique de gaz adimentionne. . . . . . . . . . . 120

3.30 Comparaison de la temperature moyenne le long de laxe de la flamme

- a. de Pinus pinaster et dErica arborea pour un debit de 2,8.106

kg.s1. - b. de Pinus laricio et dArbutus unedo pour un debit de

3.106 kg.s1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.1 Vue densemble de la methode numerique separee . . . . . . . . . . . 132

12

Liste des figures

4.2 Schema representant le domaine de calcul et le maillage. . . . . . . . 135

4.3 Schema representant les conditions aux limites des simulations. . . . . 136

4.4 Distribution de temperature avant (a) et apres (b) lallumage des gaz

a laide dun demi-cercle de 1,5 cm de rayon a 950C. . . . . . . . . . 138

5.1 Temperatures en prenant ou non en compte les C2 - a. le long de laxe

de la flamme - b. a 1 cm de haut. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

5.2 Distribution de temperature pour les mecanismes squelettiques de -

a. Peters et Kee - b. Smooke et Giovangigli - c. Zhou et Mahalingam. 143

5.3 Densites de flux radiatif a 3 cm de laxe de la flamme en fonction de

la hauteur simulees pour les trois mecanismes squelettiques. . . . . . 145

5.4 Fractions massiques de CO2 pour les mecanismes squelettiques de -


5.5 Fractions massiques dH2O pour les mecanismes squelettiques de -


5.6 Fractions massiques de CH4 pour les mecanismes squelettiques de -


5.7 Fractions massiques de CO pour les mecanismes squelettiques de -


5.8 Fractions massiques de CO et de CH4 le long de laxe vertical simulees

par les trois mecanismes squelettiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.9 Comparaison des temperatures numeriques et experimentales pour les

trois mecanismes squelettiques - a. le long de laxe de la flamme - b.

a 1 cm de haut. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.10 Temperatures obtenues avec la composition - a. PP - b. PA - c. PL -

d. EA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

5.11 Fractions massiques de CH4 avec la composition - a. PP - b. PA - c.

PL - d. EA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

5.12 Fractions massiques de CH4 le long de laxe vertical de la flamme. . . 157

5.13 Fractions massiques de CO avec la composition - a. PP - b. PA - c.

PL - d. EA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.14 Temperatures le long de laxe vertical simulees par les mecanismes

globaux et par le mecanisme squelettique de reference. . . . . . . . . 160

5.15 Distribution de temperature obtenue avec le mecanisme - a. global

1 avec la composition C3 - b. global 3 avec la composition C4 - c.

squelettique de reference avec la composition C4. . . . . . . . . . . . 162

13

Liste des figures

5.16 Isovaleurs de temperatures a 80 s pour les flammes de - a. Pinus

laricio. - b. Pinus halepensis. - c. Pinus pinaster. - d. Erica arborea. . 164

5.17 Taux de reaction du - a. methane. - b. monoxyde de carbone - a 80 s

apres lallumage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

5.18 Champ de vitesse au voisinage du bruleur pour Erica arborea, 80 s

apres lallumage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.19 Vitesse ascensionnelle des gaz le long de la flamme dErica arborea,

80 s apres lallumage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.20 Comparaison des temperatures experimentales et simulees - 1. le long

de laxe vertical - 2. radialement a 1 cm pour - a. Pinus laricio - b.

Pinus halepensis c. Pinus pinaster - d. Erica arborea. . . . . . . . . . 168

5.21 Comparaison des densites de flux radiatif experimentales et simulees

a 3 cm de laxe de la flamme a 80 s pour - a. Pinus laricio - b. Pinus

halepensis - c. Pinus pinaster - d. Erica arborea. . . . . . . . . . . . . 169

5.22 Comparaison des densites de flux radiatif a 3 cm de laxe de la flamme

a 80 s apres correction des temperatures pour Pinus laricio. . . . . . 171

A.1 Schema des etages de vegetation de la Corse en fonction de laltitude

(Gamisans et Marzocchi, 1996). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

B.1 Repartition des particules suivant leur largeur et leur longueur pour

Pinus pinaster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195


Pinus laricio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195


Pinus halepensis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196


Erica arborea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196


Cistus monspeliensis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196


Arbutus unedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

C.1 Exemple de detection de la surface dune feuille (Arbutus unedo). . . 199

D.1 Photographies dune aiguille de pin avant (a) et apres le broyage (b). 202

14

Liste des figures

D.2 Photographies de feuilles dErica arborea avant (a) et apres le broyage

(b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

D.3 Photographies de feuilles de Cistus monspeliensis avant (a) et apres

le broyage (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

D.4 Photographies de feuilles dArbutus unedo avant (a) et apres le broyage

(b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

F.1 Schema de principe pour la chromatographie en phase gazeuse. . . . . 209

F.2 Mecanisme de separation des constituants par la chromatographie en

phase gazeuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

F.3 Schema de fonctionnement du detecteur a ionisation de flamme. . . . 210

F.4 Schema de fonctionnement du detecteur a conductibilite thermique. . 211

F.5 Montage des vannes et des colonnes pour le Perichrom 2100 . . . . . 212

G.1 Schema de principe dun hygrometre a condensation. . . . . . . . . . 216

H.1 Temperatures de surface du broyat de Pinus pinaster. . . . . . . . . . 218

H.2 Temperatures de surface du broyat de Pinus halepensis. . . . . . . . . 219

H.3 Temperatures de surface du broyat de Erica arborea. . . . . . . . . . 219

H.4 Temperatures de surface du broyat de Cistus monspeliensis. . . . . . 220

H.5 Temperatures de surface du broyat de Arbutus unedo. . . . . . . . . . 220

H.6 Temperatures moyennes mesurees dans les broyats au niveau du centre



H.7 Temperatures moyennes mesurees dans les broyats a 1 cm du centre



K.1 Temperatures moyennes le long de laxe vertical des flammes de Pinus

pinaster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

K.2 Temperatures moyennes le long de laxe vertical des flammes de Pinus

laricio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

K.3 Temperatures moyennes le long de laxe vertical des flammes dErica

arborea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

K.4 Temperatures moyennes le long de laxe vertical des flammes de Cistus

monspeliensis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

15

Liste des figures

K.5 Temperatures moyennes le long de laxe vertical des flammes dArbutus

unedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

K.6 Temperatures radiales moyennes a 1 cm de haut dans les flammes de

Pinus pinaster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232


Pinus laricio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233


Pinus halepensis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233


Cistus monspeliensis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234


Arbutus unedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

L.1 Densites moyennes de flux radiatif emis par les flammes des six com-

bustibles (mesures a 2,5 cm de haut et a 3 cm du centre des flammes). 236


bustibles (mesures a 2,5 cm de haut et a 4,5 cm du centre des flammes).237


bustibles (mesures a 2,5 cm de haut et a 11 cm du centre des flammes).237

L.4 Schema de la flamme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

L.5 Schema pour le calcul du facteur de vue entre la flamme et le fluxmetre

tourne vers la flamme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

M.1 Mecanisme de Leroy (2007). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

M.2 Mecanisme de Peters (1993). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

M.3 Mecanisme de Smooke et Giovangigli (1991). . . . . . . . . . . . . . . 244

M.4 Mecanisme de Zhou et Mahalingam (2001). . . . . . . . . . . . . . . . 245

N.1 Schema representant le maillage de dimension 1. . . . . . . . . . . . . 246

N.2 Distances associees a linterface e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

O.1 Tests realises pour lelaboration du domaine de calcul. . . . . . . . . . 255

16

Liste des Tableaux

1.1 Etude de la composition de Pinus pinaster, dArbutus unedo, dErica

arborea et de Cistus monspeliensis (Leroy et coll., 2006) . . . . . . . . 30

1.2 Analyses des gaz de pyrolyse trouvees dans la litterature (1 : Peacocke

et coll. (1997), 2 : Klose et coll. (2000), 3 : Fagbemi et coll. (2001), 4 :

Shah et coll. (1989) et 5 : Grishin (1997)) . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.1 Analyse elementaire des vegetaux etudies. . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.2 Teneurs massiques en calcium, sodium et magnesium des vegetaux

etudies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.3 Pouvoirs calorifiques superieurs et inferieurs pour les six combustibles. 59

2.4 Pouvoirs calorifiques superieurs obtenus a partir du modele de Dulong. 60

2.5 Dimensions equivalentes des particules avec la modelisation rectan-

gulaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.6 Rapports surface-volume des vegetaux et des particules des broyats. . 63

2.7 Masses volumiques vraies pour les six vegetaux. . . . . . . . . . . . . 63

2.8 Masses volumiques squelettiques moyennes des six vegetaux. . . . . . 64

2.9 Masses volumiques apparentes moyennes des six vegetaux. . . . . . . 66

2.10 Porosites des broyats de combustibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.1 Capacites calorifiques a pression constante des six especes entre 80 et

200C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2 Capacites calorifiques moyennes a pression constante des six especes

entre 80 et 200C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.3 Conductivites thermiques des six combustibles a 100C. . . . . . . . . 85

3.4 Conductivites thermiques des six combustibles a 200C. . . . . . . . . 86

3.5 Diffusivites thermiques des six combustibles. . . . . . . . . . . . . . . 86

3.6 Pertes de masse globales des six vegetaux. . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.7 Fractions massiques des gaz de degradation entre 280 et 430C. . . . 96

3.8 Enthalpie de reaction des gaz provenant de la degradation de chaque

vegetal entre 280 et 430C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

17

Liste des tableaux

3.9 Coefficients stoechiometriques et pouvoirs calorifiques des gaz prove-

nant de la degradation de chaque vegetal entre 280 et 430C. . . . . . 101

3.10 Fractions radiatives moyennes pour les flammes de Pinus pinaster,

Pinus halepensis, Pinus laricio et Erica arborea avec le modele du

point source. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.11 Fractions radiatives moyennes pour les flammes de Pinus pinaster,

Pinus halepensis, Pinus laricio et Erica arborea avec le modele de la

flamme solide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

3.12 Coefficients directeur et de correlation des droites de regression don-

nant les hauteurs de flamme en fonction des debits massiques des

gaz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.13 Debits massiques correspondant a la temperature maximale le long

de laxe de la flamme et a 1 cm de haut. . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.1 Temperatures dentree des gaz de degradation. . . . . . . . . . . . . . 137

4.2 Proprietes de lair humide introduit dans le domaine. . . . . . . . . . 138

5.1 Conditions initiales du bruleur pour la determination de la composi-

tion des gaz injectes dans le domaine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

5.2 Conditions initiales du bruleur pour la comparaison des mecanismes

squelettiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

5.3 Conditions initiales appliquees au bruleur pour letude de linfluence

de la composition des gaz de degradation. . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.4 Compositions des gaz emis par le bruleur pour le test des mecanismes

reactionnels globaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

5.5 Conditions initiales appliquees au bruleur pour les simulations des

flammes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

C.1 Surfaces moyennes des vegetaux non broyes. . . . . . . . . . . . . . . 199

C.2 Volumes moyens des particules non broyees. . . . . . . . . . . . . . . 200

C.3 Rapports surface-volume des particules non broyees. . . . . . . . . . . 200

E.1 Capacites calorifiques et ecart type obtenus experimentalement. . . . 206

E.2 Comparaison des capacites calorifiques experimentales et theoriques. . 207

F.1 Caracteristiques des colonnes utilisees . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

F.2 Programme utilise pour les analyses realisees avec le Perichrom 2100 . 213

F.3 Configuration et reglage du chromatographe Girdel 30 . . . . . . . . . 214

18

Liste des tableaux

I.1 m moyens des six combustibles pour la phase de regression . . . . . 223

J.1 Fractions volumiques des gaz de degradation entre 280 et 430C sans

prendre en compte leau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

J.2 Masses moyennes deau presentes dans le ballon de prelevement entre

280 et 430C, pour chaque vegetal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

J.3 Pertes de masse moyennes des broyats entre 280 et 430C, pour chaque

vegetal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

J.4 Fractions massiques moyennes deau entre 280 et 430C pour chaque

vegetal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

J.5 Fractions massiques des gaz de degradation entre 280 et 430C. . . . 227

J.6 Fractions molaires des gaz de degradation entre 280 et 430C. . . . . 228

P.1 Valeurs numeriques intervenant dans le calcul des proprietes de lair

humide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

19

Nomenclature

A facteur pre-exponentiela diffusivite thermiqueAi, Aj symboles chimiquesC pourcentage massique en carboneC1 et C6 fonction caracterisant la production de suieCj concentration molaire de lespece jCp capacite calorifique massique a pression constanteDm coefficient de diffusiond distanceD diametreEa energie dactivatione epaisseuret energie totalefi forces exterieures par unite de masseF12 facteur de vuefs coefficient stoechiometrique massiquefv fraction volumique de suieg acceleration de la pesanteurH pourcentage massique en hydrogeneHf hauteur de la flammeh enthalpie massiqueh0 enthalpie standard de formation a 1 bar et a 298 Kh0 enthalpie massique necessaire a lignitionHA humidite absolueHF flux thermiqueHR humidite relativeI luminancekr constante cinetique de la loi dArrhenius de la reaction rl largeurL longueurm massem debit massiquem

vitesse de vaporisation par unite de surface

20

Nomenclature

N nombre adimensionneln densite en nombre de particules de suieni nombre de mole de lespece iO pourcentage massique en oxygenep pressionpi pression partiellePCI pouvoir calorifique inferieurPCS pouvoir calorifique superieurQ energie surfacique netteQv debit volumique de combustibleqr flux surfacique de chaleur du au rayonnementQ? nombre adimensionnel

Q puissance produite

QF flux de chaleur fourni par la flamme

QP pertes de chaleur

QT puissance liberee pour une combustion totaleq

flux radiatif

q0 flux radiatif incident

qI flux incident

qr flux radiatif unitaire

R constante des gaz parfaits

Ri,r taux molaire de production/consommation de lespece i dans la reaction r,Rf rayon de la flammer reflectiviter coordonnee cylindriquerm rapport de melanger vecteur positionS pourcentage massique en soufreS surfaces vecteur directionT temperatureTd temperature de roseet tempsu vitesseu vecteur vitesseV volumeVmol volume molairev coordonnee du vecteur vitessex coordonnee cartesiennexp coordonnee du front de pyrolyse%W pourcentage massique dhumiditeW masse molaire

21

Nomenclature

w taux volumique de productionw coordonnee du vecteur vitesseX fraction molaireY fraction massiqueZ fraction volumiquez coordonnee cylindrique

Symboles grecs

coefficient dabsorptionb porosite constante dabsorptionf demi-angle au sommet de la flammer exposant de la temperature dans la loi dArrhenius coefficient defficacite de la combustionrad fraction radiativecv fraction convectiveH chaleur produiteHT chaleur de combustion des especes volatilesHv chaleur latente de vaporisationh enthalpie de reactionha pouvoir calorifique par masse dair emissivite

j ordre davancement de la reaction des reactifs,

j ordre davancement de la reaction des produits

conductivite thermique viscosite dynamiques coefficient stoechiometrique molaire

coefficient stchiometrique des reactifs

coefficient stchiometrique des produitsD parametre de Lennard-Jones parametre de Lennard-Jonesfv terme source de fraction volumique de suien terme source de densite de particules de suie fluxij fonction de ponderation masse volumique constante de Stefan Boltzmann

22

Nomenclature

b rapport surface-volumeij parametre de Lennard-Jones parametre de Lennard-Jones tenseur des contraintes visqueuses coordonnee cylindriquet vitesse de thermophorese des particules de suie

Indices

app apparentcv convectionech echantillonexp experimentalm melangemoy moyenr reactionrad rayonnementref referencesat saturantesim simulesq squelettiqueT total

23

Introduction

Chaque annee, des milliers dhectares de vegetation partent en fumee dans les

regions mediterraneennes. Ce phenomene, devenu malheureusement courant, en-

trane des catastrophes ecologiques, economiques et humaines. Sur les trente cinq

dernieres annees, en moyenne, 24 675 hectares brulent dans le sud de la France chaque

annee (banque de donnees Promethee (2007)). Pour essayer dendiguer les feux de

foret, lEtat et les Collectivites Territoriales ont mis en place differents moyens de

prevention, de prevision et de lutte. Grace a cette politique et a des conditions

meteorologiques favorables, le nombre de departs de feux a diminue depuis le debut

des annees 90. Toutefois, a cause du rechauffement climatique, une recrudescence

des feux est a craindre dans les prochaines annees, dautant que labandon des terres

cultivees et lurbanisation des zones exposees au feu ont tendance a augmenter les

risques sur le terrain.

Depuis une soixantaine dannees, des equipes de recherche chargees detudier

la propagation des feux de forets ont vu le jour aux Etats-Unis, au Canada, en

Australie et en Europe. En France, le LEMTA de Nancy, lINRA dAvignon, lIUSTI

de Marseille et lUniversite de Corse constituent les principales equipes de recherche

dans ce domaine. Ces laboratoires etudient de maniere numerique et experimentale

le comportement du feu afin daugmenter la connaissance de ce phenomene et daider

les operationnels de terrain.

Lors dun incendie, les sapeurs pompiers sont souvent confrontes a des conditions

extremes (chaleur intense, visibilite reduite, topographie escarpee...). Le comman-

dant des operations de secours doit alors faire des choix cruciaux en ce qui concerne

le positionnement des personnels, des vehicules dintervention et des moyens aeriens

afin dassurer la protection des biens, des personnes et de lenvironnement. En de-

hors des saisons a risque, les forestiers soccupent principalement de lamenagement

et de lentretien de lespace rural et forestier. Dans ces deux cas, des outils de simu-

lation pourraient etre une aide precieuse pour les operationnels. Pendant les feux, il

pourrait en effet etre utilise pour definir les sites dintervention. Hors saison, le simu-

24

Introduction

lateur permettrait par exemple de tester le positionnement et le dimensionnement

des coupures de combustible avant leur mise en uvre. Ainsi, suivant son utilisa-

tion, le simulateur ne doit pas remplir le meme cahier des charges. Dans le premier

cas, il doit etre capable de predire tres rapidement le comportement dun front de

flamme alors que dans le second cas, il doit au contraire etre suffisamment detaille

pour etre le plus precis possible. La presente etude sinscrit principalement dans le

developpement du second axe.

Les mecanismes mis en jeu lors des feux de foret sont complexes. Ils font interve-

nir des phenomenes chimiques, thermiques, aerodynamiques et demandent la mise

en uvre doutils mathematiques (calculs numeriques). Pour mieux comprendre le

comportement des feux, de nombreuses etudes ont ete menees dans ce domaine.

Bien que linfluence de certains parametres tels que le rayonnement, les conditions

meteorologiques ou le rapport surface-volume des vegetaux ait ete identifiee, de nom-

breuses interrogations subsistent encore notamment au niveau du role des proprietes

physico-chimiques et des gaz de degradation dans la combustion des vegetaux. Notre

etude a ete motivee par cette constatation. Lobjectif general de ce travail est de

decrire la reaction au feu de differentes especes vegetales en vue de proposer un

modele simple et robuste de combustion en phase gazeuse pouvant etre incorpore

dans des modeles detailles de propagation de feux de foret. Les vegetaux sont broyes

ce qui permet de reduire linfluence de leur geometrie sur le comportement du feu et

de se focaliser sur les autres proprietes du combustible. La combustion de ces broyats

engendre des flammes de diffusion laminaires instationnaires et axisymetriques. Les

flammes de ce type presente un triple avantage : elles sont plus reproductibles que les

flammes turbulentes, elles permettent de mettre en evidence les aspects cinetiques

de la combustion souvent masques par la turbulence et enfin, elles font le lien entre

la combustion laminaire stationnaire et la combustion turbulente apparaissant dans

les feux de foret.

Le chapitre premier permet de definir le cadre de la presente etude. Tout dabord,

nous presentons les principes de la combustion des vegetaux. Nous faisons ensuite

une revue bibliographique des principaux travaux effectues experimentalement et

numeriquement dans le domaine des feux de foret.

Le deuxieme chapitre est consacre a la description des combustibles et des diffe-

25

Introduction

rents protocoles experimentaux originaux utilises pour notre etude.

Dans le troisieme chapitre, sont presentes les resultats experimentaux. Ce cha-

pitre est scinde en trois sections. Tout dabord, nous decrivons le comportement au

feu de la phase solide. Dans un deuxieme temps, nous examinons le comportement

de la phase gazeuse. Enfin, nous traitons le delicat probleme du couplage entre la

flamme et le combustible. Nous mettons ainsi en evidence le role des differents fac-

teurs physico-chimiques dans le comportement au feu des vegetaux.

Le quatrieme chapitre est consacre a la presentation du modele numerique, des

equations de conservation, des hypotheses, des mecanismes de combustion et des

parametres de calcul. Le but etant de definir un modele doxydation, les simulations

ne portent que sur la phase gazeuse. La phase solide est assimilee a un bruleur.

Le dernier chapitre a pour objectif delaborer un modele simple doxydation des

gaz de degradation. Pour ce faire, nous procedons en trois etapes. Dans un pre-

mier temps, nous examinons le comportement de quatre mecanismes squelettiques

de combustion. Ce travail permet par ailleurs de determiner les conditions dentree

du bruleur et de comprendre linfluence des gaz de degradation sur les flammes de

vegetaux. Dans un deuxieme temps, nous etudions le comportement de plusieurs

mecanismes reactionnels globaux dans le but de proposer un modele donnant des

resultats proches de ceux des mecanismes squelettiques. Enfin, nous comparons les

resultats numeriques obtenus avec ce mecanisme global aux donnees experimentales.

Enfin, la conclusion presente un bilan sur le travail experimental effectue ainsi

que sur lelaboration du modele doxydation des gaz de degradation et propose de

nouvelles voies de recherches numeriques et experimentales.

26

Chapitre 1

Etat de lArt : Combustion desvegetaux

Ce chapitre a pout but de presenter les travaux experimentaux et numeriques

realises dans le cadre de letude de la combustion des vegetaux. Apres une pre-

sentation generale des differents phenomenes mis en jeu lors de la combustion, les

principales voies de recherche empruntees dans ce domaine sont presentees.

1.1 Composition des vegetaux

Sur le plan de la chimie elementaire, un vegetal est constitue de matiere organique

composee de carbone, doxygene, dhydrogene et dazote. Ces elements se combinent

pour former principalement des biopolymeres a savoir la cellulose, lhemicellulose et

la lignine :

la cellulose (figure 1.1) est un polyoside de structure de glucose de formule

(C6H10O5)n (n compris entre 200 et 14000). La cellulose est composee de tres

nombreuses unites de D-Anhydroglucopyranose (AGU). Les AGU possedent

trois fonctions hydroxyles et sont reliees entre elles par des liaisons lineaires

beta 1-4. Le motif de repetition est le dimere cellobiose en formation tete-

beche. Ces polyosides ont la capacite de sassocier par des liaisons hydrogene

pour former des microfibres. Cet arrangement donne a la paroi vegetale son

aspect fibreux;

27

Chapitre 1 1.1. Composition des vegetaux

Fig. 1.1 Structure de la cellulose.

lhemicellulose (figure 1.2) est un polyoside plus complexe que la cellulose. En

plus du monomere C6H10O5, lhemicellulose est formee de differents polymeres

de formule C5H8O4 tels que le xylose, larabinose ou le mannose. Contrairement

a la cellulose, lhemicellulose se compose de chanes plus courtes. Sa structure

est plus aleatoire ce qui diminue sa rigidite;

Page 1 sur 1

11/06/2007http://crpp0001.uqtr.ca/COR/NotesCours/Chap10/Image414.gif

Fig. 1.2 Structure de lhemicellulose.

la lignine (figure 1.3) est un polymere tridimensionnel dont les unites sont

trois alcools phenylpropenoques. Leurs structures tridimensionnelles sont tres

variees et changent en fonction des especes vegetales. La lignine se depose dans

les espaces intercellulaires, ce qui confere au vegetal sa solidite.

28

Chapitre 1 1.1. Composition des vegetaux

Page 1 sur 1

11/06/2007http://fibresalimentaires.free.fr/chimie/lignine.png

Fig. 1.3 Structure de la lignine.

Outre ces biopolymeres, les vegetaux contiennent dautres substances organiques

appelees extractibles. Parmi celles-ci, on peut citer les tannins, les resines, les cires et

les colorants. En plus de la fraction organique, on trouve une partie minerale inerte

(soufre, phosphore, potassium, magnesium, calcium, sodium...) qui donne naissance

aux cendres lors de la combustion des plantes.

De nombreuses etudes ont ete realisees sur les biopolymeres du bois. Suivant les

especes considerees, le bois se compose en moyenne de 40 a 60 % dholocellulose

(hemicelluloses et cellulose), de 25 a 40 % de lignine, de 4 a 15 % dextractibles

et de 0,5 a 5 % de mineraux (Arques, 2004). La composition en biopolymeres des

autres combustibles forestiers est mal connue. Leroy et coll. (2006) ont etudie la

29

Chapitre 1 1.2. La combustion des vegetaux

composition en biopolymeres, en extractibles et en mineraux des aiguilles de Pinus

pinaster et des feuilles et rameaux dArbutus unedo, dErica arborea et de Cistus

monspeliensis (tableau 1.1).

Composition Pinus Arbutus Erica Cistus(en %) pinaster unedo arborea monspeliensis

Cellulose 40,3 38,5 40,7 36,4Hemicellulose 5,2 5,2 13,6 12,7

Lignine 38,9 41,6 38,7 37,4Extractibles 11,9 13,1 7,8 9,2Mineraux 3,7 1,6 0,8 4,3

Tab. 1.1 Etude de la composition de Pinus pinaster, dArbutus unedo, dEricaarborea et de Cistus monspeliensis (Leroy et coll., 2006)

1.2 La combustion des vegetaux

La combustion peut etre caracterisee comme une (ou des) reaction(s) irrever-

sible(s) fortement exothermique(s) entre un combustible et un comburant selon le

schema global :

combustible + comburant produits de combustion + energie thermique

Cependant, cette equation ne suffit pas a expliquer tous les phenomenes mis

en jeu lors dune combustion. De nombreux domaines interviennent dans leur com-

prehension tels que la thermodynamique, la cinetique chimique, la mecanique des

fluides, les transferts thermiques ou bien le comportement des materiaux.

La combustion dun vegetal peut etre consideree comme la succession de plu-

sieurs etapes (figure 1.4). Tout dabord, le combustible se degrade. Le solide va

liberer des composes organiques volatils, de la vapeur deau, des gaz combustibles et

non combustibles ainsi que des goudrons. Ensuite, les gaz emis rentrent en contact

avec lair ambiant, cest la combustion homogene en phase gazeuse. Enfin, le residu

charbonneux issu de la degradation du combustible vegetal est oxyde, cest la com-

bustion heterogene gaz-solide. Ces differentes etapes ont tendance a se chevaucher

lorsque la montee en temperature du combustible devient importante.

30


Phase solide

Phase gazeuse

Gaz combustibles

Rsidu charbonneux

Gaz incombustibles

Cendres

Air

Transferts thermiques

Dgradation

thermique

Combustion

avec flamme

Incandescence

Goudrons Produits de

combustion Air

Evaporation

de leau

Emission

des COV COV

Eau

Pyrolyse

Fig. 1.4 Diagramme de la combustion dun vegetal.

1.2.1 Degradation du combustible vegetal

Un schema de la degradation du combustible vegetal est presente par la figure

1.5.

Combustible vgtal

Gaz combustibles

Fumes

Air

Air

Flamme

Air

Air

Fig. 1.5 Schematisation de la degradation dun combustible vegetal (dapres Cox(1995)).

31


Quand la surface dun vegetal est exposee a un flux denergie, sa temperature

augmente. Entre 50C et 200C, le vegetal emet des composes organiques vola-

tils (COV) (White et Dietenberger, 2001) et leau contenue dans le combustible

sevapore. Lorsque la temperature du vegetal atteint la temperature de pyrolyse

(Tp), un phenomene de degradation thermique apparat liberant des goudrons et des

gaz (combustibles et non combustibles). La composition du melange varie avec la

nature du combustible, les conditions de temperature ambiante, lintensite de len-

tranement de lair, les dimensions du solide... Au-dessus de 450C, les emissions de

gaz diminuent. Le residu charbonneux est forme (LeVan, 1989).

La modelisation fine du processus de pyrolyse savere tres delicate en raison des

phenomenes physico-chimiques mis en jeu. De nombreux travaux ont ete consacres

a letude de la degradation thermique du PMMA (Polymethacrylate de methyle)

vers les annees 60-70 (Rabinovitch, 1965; Lengelle, 1970). A partir des annees 80,

ces modeles ont ete appliques a dautres materiaux solides. La temperature au sein

des solides lors de la pyrolyse est generalement modelisee par deux approches.

La premiere fait lhypothese que le solide se gazeifie sur un front de pyrolyse

ou la temperature atteint la temperature de pyrolyse Tp. Dans ce cas, la perte

de masse seffectue uniquement a la surface du materiau. La surface

du solide et donc le front de pyrolyse voient leurs positions evoluer dans le

temps. Quintiere et Iqbal (1994) ecrivent alors la conservation de lenergie

dans le solide, en prenant un systeme de coordonnees dont le front de pyrolyse

constitue lorigine des abscisses :

.Cp.

(T

t+

xpt

.T

x

)=

x

[.

T

x

](1.1)

avec :

Cp : capacite calorifique massique a pression constante.

A laide des equations de conservation de la masse et de lenergie appliquees a

un solide en combustion, soumis a un flux radiatif externe et considere comme

un corps gris 1, la condition a linterface solide-gaz peut secrire (Quintiere et

Iqbal, 1994) :

m

= .dxpdt

(1.2)

1. Un corps gris est un corps dont le pouvoir absorbant est independant de la longueur durayonnement quil recoit

32


m.Hv =

(.T

x

)gaz,x=0

(.T

x

)solide,x=0

+ .Q

F ..T 4 (1.3)

avec :

xp : coordonnee du front de pyrolyse,

: masse volumique du solide,

m: vitesse de vaporisation par unite de surface,

Hv : chaleur latente de vaporisation du combustible considere,

: conductivite thermique du materiau,

: aborptivite du materiau,

QF : flux incident provenant dune source externe (telle quune flamme),

..T 4 : flux perdu par rayonnement en surface.

Dans ce cas precis, les echanges par convection sont negliges par rapport aux

echanges radiatifs.

Kashiwagi (1974) utilise la meme modelisation que precedemment mais con-

sidere en plus que le solide absorbe en profondeur une partie du rayonnement

externe en respectant la loi de Beer. Ceci revient a introduire un terme source

dans lequation de conservation de lenergie du solide. Lequation 1.1 secrit

alors :

.Cp.

(T

t+

xpt

.T

x

)=

x

[.

T

x

]+

q

x(1.4)

ouq

x= .q

0 .(1 r). exp (.x) (1.5)

avec :

q: flux radiatif,

q0 : flux radiatif incident,

: constante dabsorption,

r : reflectivite.

La seconde demarche consiste a admettre que la perte de masse seffec-

tue de facon volumique au sein du materiau (Houser, 1966). Comme dans

lapproche precedente, la surface du solide voit sa position varier au cours du

temps. En faisant lhypothese que les gaz produits sont expulses a une vitesse

suffisamment grande vers lexterieur pour que lon puisse negliger leur diffusion

dans le materiau, lequation de conservation de lenergie, pour chaque element

33


de volume du materiau, peut secrire de la facon suivante (Laraqui et Bransier,

1988) :

.Cp.T

t+ .Cp.

xpt

.T

x+ m

.Hv =

x

[.

T

x

](1.6)

La vitesse de vaporisation par unite de volume m

se met generalement sous

la forme dune loi dArrhenius du type :

m

= A. exp

( Ea

R.T

)(1.7)

avec :

A : facteur pre-exponentiel,

Ea : energie dactivation,

R : constante des gaz parfaits.

Les coefficients A et Ea peuvent etre determines a partir danalyses thermo-

gravimetriques (ATG).

Ces deux types dapproche ont le merite detre assez simples. Toutefois, il faut

noter que la plupart des biopolymeres ne se comportent pas dune facon aussi simple.

En effet, sous leffet de la chaleur, le solide peut se craqueler ou se carboniser, rendant

plus difficile sa mise en equation.

1.2.2 Combustion en phase gazeuse

1.2.2.1 Aspects generaux

Sous leffet de la chaleur, les goudrons issus de la degradation du combustible se

craquent et liberent des gaz combustibles. Ces gaz, avec ceux issus de la decomposi-

tion du vegetal, diffusent et sont convectes, creant ainsi un melange inflammable

au voisinage de la surface du solide. Si la temperature du melange augmente, la

combustion entre les vapeurs combustibles et lair ambiant peut avoir lieu. Il en

resulte une flamme de diffusion qui se developpe au-dessus de la surface. La stabili-

sation de la flamme au-dessus du combustible se traduit par un echange permanent

entre ces deux entites : une partie de lenergie produite par la flamme est transmise,

par rayonnement et par convection, vers la surface du combustible et entretient

ainsi la gazeification de ce dernier. Si les conditions denvironnement, notamment

de temperature et dentranement dair, restent constantes, il setablit un etat quasi-

stationnaire caracterise par la vitesse de combustion par unite de surface m

qui

34


sexprime alors dune maniere tres generale par (Drysdale, 1996) :

m

=Q

F Q

P

Hv(1.8)

avec :

QF : flux de chaleur fourni par la flamme a la surface. Celui-ci est lie a la puissance

degagee par le foyer et aux mecanismes de transfert de chaleur impliques,

QP : pertes de chaleur exprimees comme un flux a travers la surface du combustible,

Hv : chaleur latente de vaporisation du combustible considere.

La puissance puissance liberee lors de la combustion peut sexprimer par (Te-

warson, 2002) :

Q = m.S..HT = m..HT = .QT (1.9)

avec :

m: vitesse de combustion par unite de surface,

: coefficient defficacite de la combustion traduisant le caractere plus ou moins

complet de la reaction, fonction de la nature du combustible et de la taille du foyer,

S : aire de la surface du combustible,

HT : chaleur de combustion des especes volatiles.

QT : puissance liberee dans le cas dune combustion totale egale a QT = m.HT .

Une partie de lenergie produite par la flamme est transmise par rayonnement et

lautre par convection. On a alors :

.HT = H = Hrad + Hcv (1.10)

avec :

H : chaleur produite,

Hrad : chaleur transmise par rayonnement,

Hcv : chaleur transmise par convection.

En divisant lequation 1.10 par HT , on obtient :

=H

HT=

HradHT

+HcvHT

(1.11)

On definit alors deux rapports, la fraction radiative rad et la fraction convective

cv :

r =HradHT

=Qrad

QT(1.12)

35


cv =HcvHT

=Qcv

QT(1.13)

avec :

Qrad : puissance dissipee par rayonnement,

Qcv : puissance dissipee par convection.

Dans le cas de feux libres, il est possible devaluer rapidement les flux rayonnes

vers lenvironnement. Pour cela, la flamme est consideree :

soit comme une surface a pouvoir demission uniforme (modele de la flamme

solide) (Felske et Tien, 1973; Markstein, 1976; Shokri et Beyler, 1989; Dupuy

et coll., 1998),

soit comme une source ponctuelle (modele du point source) rayonnant une

fraction de la puissance liberee par le foyer (Modak, 1977; McCaffrey et Hark-

leroad, 1988; Evans et coll., 1994). Lhypothese disotropie spherique pour

lemission radiative conduit a une expression simple de la puissance radiative

totale :

Qrad = 4..d2.q

r (1.14)

avec qr , la densite de flux radiatif a la distance d de laxe de la flamme.

Dapres Bouhafid et coll. (1988), lhypothese disotropie spherique est satis-

faite des lors que la distance a laxe de la flamme est superieure a trois fois le

diametre du foyer.

Pour un calcul plus precis des flux, notamment au voisinage de la flamme, il est

necessaire de prendre en compte lEquation de Transfert Radiatif.

1.2.2.2 Formation et evolution des particules dans les flammes

De nombreuses etudes ont ete menees sur la comprehension des phenomenes

complexes mis en jeu lors de la formation des particules de suie dans les flammes

(Prado et Lahaye, 1981; Glassman, 1988; Howard, 1990; Dobbins et Subramaniasi-

vam, 1994; Kennedy, 1997; Xu et coll., 1998). Cinq grands phenomenes ont ete mis

en evidence : la nucleation, la croissance de surface, la coagulation, lagglomeration

et loxydation (figure 1.6).

36


Combustible vgtal

Flamme

Fumes dgages dans

le milieu environnant

Zone de nuclation

+

Coagulation

Coagulation et Agglomration


+

Croissance de surface


+

Oxydation

Fig. 1.6 Processus de formation et devolution des suies dans une flamme.

La nucleation correspond a la genese des particules primaires (les nuclei) et se

produit dans la zone de flamme. A lorigine de ces nucleis, on trouve differentes

molecules telles que le butadiene, le benzene, lacethylene, les groupements po-

lyacetyleniques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ainsi que les

formes ioniques ou radicalaires de ces composes.

Les premiers modeles de formation de nuclei suggeraient que ces molecules pre-

curseurs etaient a caractere acetyleniques et passaient par un processus de cyclisation

(Haynes et Wagner, 1981). Mais ce mecanisme par radicaux libres est vite apparu

trop lent pour etre compatible avec les observations experimentales. A present, il

semble que la formation des nuclei passe par des etapes ou se forment des hydrocar-

bures aromatiques polycycliques (HAP). Dans un premier temps, on observe lappa-

rition de benzene. Celui-ci peut se former par lintermediaire de plusieurs reactions.

Parmi les plus simples, on peut citer (McEnally et coll., 2006; Wang et Frenklach,

37


1997) :

laddition dacetylene sur des cycles radicalaires a 4 atomes de carbone :

C2H2 + (C2H) (C4H3)

(C4H3) + C2H2 (C4H5)

(C4H5) + H C6H6

C2H2 + (C2H3) (C4H5)

(C4H5) + C2H2 C6H6 + H

ou la recombinaison des radicaux (C3H3) :

(C3H3) + (C3H3)

C6H6

Ensuite, les HAP sont formes par une suite de reactions delimination dun

atome dhydrogene, suivies de laddition dacetylene. Pour illustrer cette etape, nous

presentons ci-apres un des schemas rencontre pour la formation du naphtalene a par-

tir de benzene (Richter et Howard, 2000) :

-H + C2H2

+ C2H2

H

CC

H

H

CC

H

H

C

C H

H

-H

38


Le passage des HAP aux premiers nuclei est, a lheure actuelle, toujours mal

compris. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques, une fois formes, vont avoir

tendance a accrotre leur structure par un developpement multidirectionnel.

La nucleation produit une grande quantite de particules de diametre de lordre du

nanometre qui vont grossir au cours des phenomenes de croissance de surface.

Au cours de cette etape, des especes gazeuses vont reagir a la surface des nuclei et

vont sy incorporer. Les especes cycliques fortement hydrogenees (HAP, acethylene,

polyacetylenes et benzene) sont particulierement reactives. Ce processus heterogene

se deroule jusqua ce que les particules atteignent une forme quasi spherique, de

diametre proche de 10 nm. Cette phase represente la principale phase de production

massique de particules de suie. Celle-ci est precedee de phenomenes de restructura-

tion des particules sans production particuliere de masse tels que les phenomenes

issus de collisions inter-particulaires.

Lorsque les particules ont un faible diametre (de lordre de 10 nm) et que la

croissance de surface est encore rapide, deux particules entrant en collision peuvent

fusionner. Du fait de la forte concentration et du fort mouvement brownien dus a

la temperature dans la flamme, les particules entrent en collision et leur structure

interne encore mobile peut se reorganiser. On assiste alors a un phenomene de coa-

lescence. Pour des particules de diametre plus important (superieur a 10 nm), la

structure interne est plus difficile a reorganiser et les particules vont se coller sans

fusionner ; cest le phenomene dagglomeration. Cest au cours de ce phenomene

que la morphologie complexe des particules de suie apparat et que la distribution

granulometrique des particules setablit. Au cours de ces deux phenomenes de colli-

sion, la masse totale nevolue pas tandis que le nombre de particules diminue.

Dans les zones peu reactives de la flamme, loxygene est de plus en plus present et

les particules se trouvant dans ces zones peuvent alors etre oxydees. Cette oxyda-

tion correspond a une combustion partielle des agregats. Deux especes majoritaires

peuvent oxyder les particules de suie, loxygene et le radical OH, induisant ainsi deux

phenomenes doxydation differents. Loxygene qui presente une efficacite de collision

faible peut penetrer a linterieur des particules et effectuer une oxydation interne

pouvant entraner la cassure de la particule. Le radical OH presente une efficacite

de collision plus elevee et diffuse peu dans la particule. Loxydation par le radical

39


OH se produit en surface et tend non pas a casser les agregats mais a reduire leur

masse.

Dans les codes numeriques, les modeles de formation des particules de suie sont

bases sur une representation simplifiee des processus de nucleation, de croissance de

surface et de coagulation (Syed et coll., 1990; Moss et coll., 1995; Said et coll., 1997).

Le comportement des particules de suie est decrit grace a deux parametres : la densite

en nombre de particules (ou nombre de particules de suie par unite de volume)

notee n et la fraction volumique de suie notee fv. Ainsi, la prise en compte des

particules de suie seffectue par lintermediaire de deux equations de conservation :

lune correspondant a la conservation de la densite de particules de suie et lautre a

celle de la fraction volumique de suie (Kaplan et Kailasanath, 2001) :

n

t+ .(n.u ) =

.(n.t) + n (1.15)

fvt

+ .(fv.u ) =

.(fv.t) + fv (1.16)

avec :u : vecteur vitesse de lecoulement,t : vitesse de thermophorese des particules de suie,

n : terme source de densite de particules de suie,

fv : terme source de fraction volumique de suie.

Les expressions des termes sources varient suivant les etudes (Brookes et Moss,

1999; Kaplan et Kailasanath, 2001; Moss et Aksit, 2007) mais se presentent genera-

lement sous la forme suivante :

n =dn

dt= C1 C2 C3 (1.17)

fv =dfvdt

= C4 + C5 C6 (1.18)

avec :

C1 et C4 : fonctions correspondant au processus de nucleation,

C2 et C5 : fonctions representant la croissance de surface des particules,

C3 et C6 : fonction decrivant loxydation des particules de suie.

Les differentes fonctions sont generalement deduites dexperiences realisees sur des

flammes dethylene-air ou de methane-air.

40


Il est a noter que dans le cas de particules de suie spheriques monodisperses, la

densite en nombre de suie et la fraction volumique de suie sont reliees par la relation

suivante :

fv = n..D3

6(1.19)

avec D : diametre des particules.

Une seule equation de conservation suffit alors a la description du comportement

des suies.

1.2.2.3 Structure des flammes

Theoriquement, la structure de la flamme peut etre deduite des equations de

conservation de la masse, de la quantite de mouvement, des especes et de lenergie.

En fait, la formulation est complexe et il est difficile dobtenir des solutions ana-

lytiques. Cependant, une analyse dimensionnelle simple, couplee avec des resultats

experimentaux (Heskestad, 1972), ont mis en evidence un lien entre la hauteur de

flamme, la puissance degagee et le diametre des foyers circulaires.

De nombreuses correlations ont ainsi ete exprimees pour la hauteur de flamme

en fonction de ces parametres pour des feux turbulents. Parmi elles, on peut citer :

la formulation proposee par Heskestad (1983) :

HfD

= 1,02 + 15,6.N15 (1.20)

avec :

Hf : hauteur de la flamme,

D : diametre de la base de la flamme,

N : nombre adimensionnel derive du nombre de Froude modifie :

N =

[Cp.T0

g.20. (HT .fs)3

]Q2TD5

(1.21)

avec:

Cp : capacite calorifique massique a pression constante de lair ambiant,

T0 : temperature de lair ambiant,

0 : masse volumique de lair ambiant,

HT : chaleur de combustion des especes volatiles,

41


fs : le coefficient stoechiometrique massique des gaz volatils dans lair,

QT : puissance liberee dans le cas dune combustion totale egale a

QT = m.HT .

g : acceleration de pesanteur.

Pour la plupart des combustibles (Drysdale, 1996), HT .fs 3000 kJ.kg1.Lequation 1.20 est alors generalement reecrite sous la forme :

Hf = 1,02.D + 0,23.Q0.4T (1.22)

la relation etablie par Zukoski et coll. (1984) :

Q? < 1,0 Hf = 3,3.Q? 2

3 .D (1.23)

Q? > 1,0 Hf = 3,3.Q? 2

5 .D

avec Q?, nombre adimensionnel defini par :

Q? =QT

0.T0.Cp.g12 .D

52

(1.24)

Dans le cas des flammes de diffusion laminaires, la hauteur de flamme est direc-

tement proportionnelle au debit volumique de combustible et depend du coefficient

de diffusion du gaz. Comme pour le cas turbulent, il existe plusieurs correlations

donnant la hauteur de flamme :

Jost (1939) propose la relation suivante:

Hf =Qv

2..Dm(1.25)

avec :

Qv : debit volumique de combustible,

Dm : coefficient de diffusion.

Borghi et Destriau (1995) donnent une formule pour la hauteur de flamme

dans le cas dun jet laminaire rond avec un ecoulement dair parallele de meme

debit :

Hf =Qv

.Dm. ln(

0,23+ss

) (1.26)avec :

s : coefficient stoechiometrique molaire des gaz combustibles.

42

Chapitre 1 1.3. Voies experimentales de recherches

1.2.3 Combustion heterogene et formation des cendres

La derniere etape dans la combustion du vegetal est loxydation du residu char-

bonneux hautement poreux (de lordre de 90 % pour le bois). Lorsque lemission de

gaz est terminee, loxygene diffuse dans le residu charbonneux a travers sa surface.

La vitesse de combustion du residu charbonneux depend alors de la concentration

en oxygene, de la temperature des gaz, du nombre de Reynolds local, de la taille

et de la porosite du residu charbonneux du residu. Les chanes carbonees reagissent

avec loxygene a la surface pour former principalement du monoxyde de carbone,

une petite quantite de dioxyde de carbone pouvant toutefois apparatre (Kaushal

et coll., 2007).

C +1

2O2 CO (1.27)

C + O2 CO2 (1.28)

Les chanes carbonnees reagissent aussi avec du dioxyde de carbone et de la

vapeur deau par lintermediaire des reactions de reduction suivantes :

C + H2O CO + H2 (1.29)

C + CO2 2CO (1.30)

Les reactions 1.29 et 1.30 sont generalement beaucoup plus lentes que les reactions

doxydation 1.27 et 1.28 (Borman et Ragland, 1998).

Durant la combustion, les mineraux qui sont disperses sous forme dions et de

particules submicroniques dans le combustible sont oxydes et forment les cendres.

Leur composition varie suivant les vegetaux et la temperature de combustion (Etiegni

et Campbell, 1991). Toutefois, pour les combustibles forestiers, les principaux oxydes

sont : SIO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O et K2O (Koukouzas et coll., 2007;

Liodakis et coll., 2005). Une fois formees, les cendres se deposent a la surface du

residu charbonneux. Cette fine couche peut avoir des effets importants sur la capacite

calorifique, les transferts radiatifs et les reactions surfaciques.

1.3 Voies experimentales de recherches

Les travaux experimentaux sur la combustion des vegetaux peuvent etre classes

suivant deux axes : les etudes menees en laboratoire et les etudes de terrain. Toute-

fois, dans le cas des mesures realisees en laboratoire, les conditions experimentales

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sont plus ou moins eloignees de celles dun feu a grande echelle. Les grandeurs obte-

nues sont alors a prendre avec precaution car elles sont generalement tres fortement

tributaires du protocole utilise (Williams et Besler, 1996; Leroy et coll., 2006).

1.3.1 Analyse thermogravimetrique des vegetaux

Lanalyse thermogravimetrique permet de mesurer la variation de masse dun

echantillon soumis a un cycle thermique. Les premieres etudes thermogravimetriques

sur les combustibles forestiers ont ete realisees par Philpot (1970). Depuis, cette

methode est utilisee pour letude de la dynamique de combustion (Ghetti et coll.,

1996; Grossiord et Moro, 1998) et pour la caracterisation de linflammabilite des

vegetaux (Dimitrakopoulos, 2001; Liodakis et Kakardakis, 2006). Un des principaux

indicateurs de la dynamique de combustion est la perte de masse du combustible.

Ainsi, Safi et coll. (2004) et Bilbao et coll. (1997) montrent que la plus importante

perte de masse se situe entre 280 et 450C. En-dessous et au-dessus de cette plage de

temperature, lemission de gaz est inferieure a 10 % de la masse initiale. Les etudes

thermogravimetriques sont utiles pour determiner les parametres cinetiques de la

degradation thermique des vegetaux.

1.3.2 Analyse enthalpique differentielle

Lanalyse enthalpique differentielle des vegetaux permet de mettre en evidence les

caracteristiques energetiques des reactions se deroulant lors de leur degradation ther-

mique. Cette technique permet de determiner la variation du flux thermique emis ou

recu par un echantillon lorsquil est soumis a un chauffage devolution programmee,

sous atmosphere controlee. Les courbes obtenues presentent une double exotherme

mettant en evidence loxydation des gaz de degradation et celle des residus char-

bonneux en cendres (Cancellieri et coll., 2005 a). Bien que les courbes de differents

vegetaux montrent des allures globales similaires, des divergences sont a noter que

ce soit au niveau du debut des reactions, de la temperature des pics (correspondant

au maximum denthalpie des deux oxydations) ou de lenthalpie degagee.

1.3.3 Analyse des gaz de degradation

Les analyses des gaz de pyrolyse ont principalement ete realisees sur le bois a

laide de pyrolyseur couple a des chromatographes en phase gazeuse. Parmi les etudes

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realisees, on distingue :

la pyrolyse rapide ou flash pyrolysis avec des vitesses de chauffage superieures

a 1000C.min1. Cette pyrolyse favorise la formation de goudrons (Horne et

Williams, 1996; Meier et Faix, 1999);

la pyrolyse dite lente avec des vitesses de chauffage inferieures. Les differentes

etudes montrent que les gaz emis lors de la degradation du bois sont princi-

palement composes de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone et dhy-

drocarbures de faibles masses molaires. On trouve aussi une petite quantite de

dihydrogene et, dans certaines analyses du dioxygene et du diazote. Le tableau

1.2 donne des exemples de compositions de gaz emis lors de la pyrolyse du bois.

Analyses 1 2 3 4 5Especes Pin Hetre Bois Chene Assao Pin

Temperature de449 927 400 270 380 400

pyrolyse (C)

Gaz

CO 33,7 33,8 27,5 22,6 33,7 28,3CO2 51,9 57,5 65,5 64,4 50,2 63,5CH4 1,6 6,8 4,3 3,5 6,9 6,8C2Hx 0,5 - 2,7 1,1 2,7 1,3

(% massique)

C3H8 0,3 - - - -H2 - 1,9 0,1 0,4 0,7 0,1O2 - - - 0,1 0,0 -

H2O 11,9 7,6 5,5 -N2 - - - 0,4 0,3 -

Tab. 1.2 Analyses des gaz de pyrolyse trouvees dans la litterature (1 : Peacockeet coll. (1997), 2 : Klose et coll. (2000), 3 : Fagbemi et coll. (2001), 4 : Shah et coll.(1989) et 5 : Grishin (1997))

1.3.4 Analyses des fumees

Dans les feux de foret, les reactions de combustion sont incompletes ce qui se

traduit par la liberation dun grand nombre de substances. On appelle fumee, len-

semble constitue des gaz de combustion et des suies. La composition des fumees

est etudiee en laboratoire (McDonald et coll., 2000; Fine, 2001; Schauer et coll.,

2001) et a lechelle du terrain (Barboni, 2005; Miranda et coll., 2005; Stathero-

poulos et Karma, 2007). Les produits composant les fumees changent de maniere

importante suivant le type de vegetation ou de materiaux rencontres (plastiques,

fertilisant, pesticides, detritus...) et suivant les conditions meteorologiques. Le mode

de prelevement (detecteurs electrochimique et infrarouge, tube absorbant, sac de

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prelevement, echantillonneurs actif et passif...) a aussi une influence sur les donnees

recueillies. Malgre ces variations, on retrouve dans lensemble des fumees etudiees,

du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, de lammoniac, des oxydes dazote,

des composes benzeniques, terpeniques, phenoliques ainsi que des hydrocarbures aro-

matiques polycycliques (HAP). Parmi les composes trouves dans les fumees, certains

sont toxiques ou nocifs pour lHomme tels que le monoxyde de carbone, les BTEX

(Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylenes) ou les HAP.

1.3.5 Etudes de la combustion en laboratoire

En laboratoire, le controle des conditions experimentales est plus facile qua

lechelle du terrain ce qui permet une etude plus fine des phenomenes mis en jeu

dans les feux. Les etudes realisees dans ce domaine ont pour but de determiner trois

categories de donnees :

les conditions ambiantes (temperature de lair, pression atmospherique, humi-

dite relative de lair, vitesse et direction de lecoulement en convection forcee),

les proprietes du combustible (temperature, humidite, rapport surface-volume,

pouvoir calorifique superieur, perte de masse),

les caracteristiques du front de feu et des flammes (temperatures, flux radiatifs,

vitesse de propagation et geometrie).

Ces informations permettent dapprehender le comportement des feux de vege-

taux. Par ailleurs, ces mesures procurent des donnees simples pour les modeles et

sous modeles numeriques utilises dans les codes de calcul. Suivant les grandeurs

observees, deux types dexperiences peuvent etre realises : les feux statiques et les

etudes de propagation. Dans la suite de ce paragraphe, nous allons detailler chacun

de ces aspects.

1.3.5.1 Feux statiques

Les premieres etudes statiques realisees sur des combustibles vegetaux ont ete

conduites par Dupuy et coll. (2003). Deux types de vegetaux a savoir des aiguilles

de Pinus pinaster et des copeaux de bois ont ete places dans un panier circu-

laire afin dobtenir des flammes turbulentes. Durant les differentes experiences, la

temperature, la hauteur visible des flammes, leur emittance moyenne, la perte de

masse des combustibles ainsi que la vitesse ascensionnelle des gaz dans le panache

ont ete mesurees. Trois zones ont ete mises en evidence au sein des flammes turbu-

lentes : la flamme persistante avec une temperature maximale de lordre de 1000C,

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la flamme intermittente et le panache. Le meme type de dispositif experimental

a ensuite ete utilise par Saadaoui et coll. (2007). En plus de la distribution de

temperature, de la perte de masse et du flux emis par les flammes, la vitesse des gaz

au sein de la flamme a ete mesuree par Velocimetrie par Images de Particules (PIV)

et par Anemometrie Laser a effet Doppler (ADL).

1.3.5.2 Propagation en laboratoire

Les premieres etudes de laboratoire sur la propagation des feux ont eu lieu dans

les annees soixante (Rothermel et Anderson, 1966). Le but de ces travaux etait

de determiner la vitesse de propagation du front de flamme, sa forme ainsi que la

geometrie des flammes (hauteur, profondeur et inclinaison). Certains auteurs ont

aussi etudie la distribution de temperature et la vitesse des gaz dans le panache

(Marcelli et coll., 2004). De nombreux travaux ont ete menes afin de determiner lin-

fluence de la pente du sol (Viegas, 1998; Dupuy, 1995), de la vitesse et de la direction

du vent (Anderson, 1983; Mendes-Lopes et coll., 2003; Wolff et coll., 1991) et des

contribution expérimentale et théorique pour la modélisation de la

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